基于橋樁保護(hù)的帶撐雙排樁基坑支護(hù)實(shí)例及有限元分析

熊一帆，劉廣新，杜 威，應(yīng)宏偉

（1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098；2.浙江省鐵投建設(shè)工程有限公司，浙江 溫州 325000；3.杭州鐵路設(shè)計院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310016；4.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058；5.浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地上空間的開發(fā)和利用已漸漸不能滿足人們的需求，大量的深基坑工程應(yīng)運(yùn)而生。近年來，基坑工程的施工規(guī)模和難度逐漸增大，周邊環(huán)境也越來越復(fù)雜，這對變形的控制提出了更高的要求。Clough等[1]研究了采用錨桿和內(nèi)支撐的基坑土方開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的3種形式；劉興旺等[2]對15個基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了軟土地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形一般在0.002～0.009倍開挖深度?；邮┕み^程中，不僅需要關(guān)注圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的變形，也需要關(guān)注基坑卸荷導(dǎo)致的周邊環(huán)境的變形。上世紀(jì)90年代初期，F(xiàn)inno等[3]首先提出觀點(diǎn)：深基坑的施工中，土方開挖卸荷易引起相鄰建（構(gòu)）筑物樁基的較大位移，從而對建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生不利影響。Poulos等[4]、Chen 等[5]、杜金龍等[6]、木林隆等[7]利用離心機(jī)試驗(yàn)及數(shù)值分析等方法對此問題進(jìn)行了更深入的研究，得到了一些重要的結(jié)論。當(dāng)基坑鄰近既有橋梁樁基對變形控制要求較高時，雙排樁門架式結(jié)構(gòu)常被作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)置水平內(nèi)支撐，研究雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)對鄰近樁基的影響具有十分重要的工程意義。

本文以某下穿市域鐵路橋梁的市政道路箱涵基坑工程為研究對象，介紹了雙排樁結(jié)合兩道內(nèi)支撐和坑內(nèi)地基土加固的支護(hù)方案，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并采用有限元軟件建立了數(shù)值模型，分析研究了有無支撐、支撐間距及排樁間距等因素對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及橋樁變形的影響。

1 工程概況

1.1 基坑與軌道交通的相對關(guān)系

某城市新建道路下穿市域鐵路立交工程，采用四孔分離式框架箱涵，該基坑南北方向長40.7 m，東西方向?qū)?6 m，其平面如圖1所示?；优c已運(yùn)營的市域鐵路橋梁斜交，夾角為 88?。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)與北承臺結(jié)構(gòu)凈距為3 m，距橋墩8.6 m；與南承臺結(jié)構(gòu)凈距僅為1.9 m，距橋墩7.5 m。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Plane diagram of foundation pit

1.2 基坑支護(hù)方案

基坑剖面如圖2所示，開挖深度8.6 m，輔道箱涵底標(biāo)高?1.575 m，輔道箱身高度7.45 m，主道箱涵底標(biāo)高?3.308 m，主車道箱身高度7.25 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑1.0 m、樁間距1.2 m的雙排門架式鉆孔灌注樁加兩道內(nèi)支撐和兩道換撐形式，樁長32～36 m。第一道內(nèi)支撐梁采用1.2×1.2 m鋼筋混凝土梁支撐，第二道內(nèi)支撐及兩道換撐均采用Φ609×16 mm鋼管支撐，支撐水平間距4.0～6.0 m。受場地限制，雙排樁的排距為2.5 m，小于3～5d（d為圍護(hù)樁直徑）的常規(guī)排距，屬小排距雙排樁。

圖2 基坑剖面示意圖Fig.2 Section of foundation pit

1.3 土層條件

表1給出了包括加固土在內(nèi)的土層力學(xué)參數(shù)，開挖影響深度范圍內(nèi)為深厚淤泥，呈流塑，厚層狀，偶含貝殼碎屑、粉砂薄層及有機(jī)質(zhì)，土質(zhì)不均，局部為淤泥質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高，該層力學(xué)性質(zhì)極差，滲透性能弱。因缺少相關(guān)資料，將全風(fēng)化基巖等效為上層粉質(zhì)黏土層進(jìn)行建模。地下水埋藏較淺，滲透性能弱，接受大氣降水與地下徑流補(bǔ)給，以蒸發(fā)或向低洼處徑流為排泄方式，受季節(jié)氣候變化影響較大，穩(wěn)定水位埋深0.30～3.50 m。

表1 土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Soil mechanical parameters

1.4 施工工況

基坑的施工分為11個階段，具體工況見表2。

表2 施工工況Table 2 Construction conditions

2 二維數(shù)值分析

2.1 計算模型

為了研究基坑開挖對鄰近橋樁的影響，本文以圖2為基礎(chǔ)構(gòu)建了二維有限元模型。為了減小邊界效應(yīng)對最終計算結(jié)果的影響，本文模型水平寬度取90 m，豎向邊界則取至粉質(zhì)黏土層底部。

HSS土體本構(gòu)模型能夠合理模擬土體小應(yīng)變下的剛度和土體非線性、硬化等特性，因此本文選取HSS本構(gòu)模型進(jìn)行計算，部分模型參數(shù)采用王衛(wèi)東等[8]的建議，具體數(shù)值見表3。

表3 部分HSS模型參數(shù)Table 3 Partial HSS model parameters

HSS土體本構(gòu)模型的強(qiáng)度參數(shù)為有效應(yīng)力指標(biāo)，具體取值如表1所示。土體的剛度系數(shù)關(guān)系則由王衛(wèi)東等[8]的建議及工程經(jīng)驗(yàn)得到。土體剛度參數(shù)取值見表4，圍護(hù)樁、橋樁等結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5。

表4 HSS模型的剛度參數(shù)Table 4 Stiffness parameters of HSS model kN/m2

表5 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 5 Structural parameters

模型的網(wǎng)格劃分精度為中等，共生成3 711個單元、31 291個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分如圖3所示，施工步則按照實(shí)際工況模擬。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh subdivision

2.2 結(jié)果分析

實(shí)際工程中基坑測斜管、橋樁沉降以及坑外土體沉降監(jiān)測點(diǎn)如圖3所示。工況11中后排樁和橋樁的監(jiān)測數(shù)據(jù)、有限元結(jié)果及其對比見圖4和表6，圖 4中位移為正代表排樁向坑內(nèi)變形（下同）。值得說明的是，所有數(shù)據(jù)均取自工況 11拆除輔道換撐，此時箱涵及回填混凝土已有一定的強(qiáng)度，形成了完整的支護(hù)體系，這對于變形控制極為關(guān)鍵。從后排樁水平位移的實(shí)測曲線可以看出，圍護(hù)樁最大位移24.2 mm，最大變形出現(xiàn)在坑底以上2.6 m，小于預(yù)警值35 mm，說明基坑處于安全狀態(tài)。至于橋樁變形，表6中橋樁沉降的監(jiān)測值為2.2 mm，小于預(yù)警值4 mm，說明橋樁處于安全狀態(tài)。經(jīng)過對比，有限元計算得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移曲線形狀與實(shí)測側(cè)向位移曲線基本吻合，橋樁沉降值與實(shí)測值吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模型和計算參數(shù)的合理性，為下文的研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 排樁水平位移對比Fig.4 Comparison of row piles horizontal displacement

表6 橋樁沉降對比Table 6 Comparison of bridge pile settlement

地表沉降也是基坑施工時需要關(guān)注的重點(diǎn)，由于地表沉降監(jiān)測剖面與數(shù)值模型選取的剖面并不一致，因此不將二者進(jìn)行比較而只分析實(shí)測數(shù)據(jù)。地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示。拆除輔道換撐時，坑外最大沉降出現(xiàn)在了距離后排樁約4.5 m處，數(shù)值為 22.53 mm，說明基坑施工對周邊環(huán)境影響不大。

圖5 地表沉降實(shí)測結(jié)果Fig.5 Measured results of surface subsidence

3 影響因素分析

以上述模型作為參考算例，進(jìn)一步研究有無支撐、支撐間距以及排樁間距對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及樁基變形的影響。

3.1 算例1（有無支撐的影響）

不激活參考算例中的第一道和第二道支撐作為算例1來計算。算例1與參考算例的后排樁水平位移比較見圖6，樁基沉降對比見表7。由圖6和表7可知，懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)使后排樁水平位移及墻后樁基沉降明顯增大，不利于基坑整體變形的控制。因此，在設(shè)計中合理地布置內(nèi)支撐可以明顯改善基坑支護(hù)的效果。

圖6 有無支撐對排樁水平位移的影響Fig.6 Influence of support on horizontal displacement of row piles

表7 不同算例的沉降對比Table 7 Settlement comparison of different examples

3.2 算例2（支撐間距的影響）

將參考算例中的支撐及臨時換撐的間距從5.06 m增大到10.12 m作為算例2。算例2與參考算例的后排樁水平位移比較見圖 7，樁基沉降對比見表7。由圖7和表7可知，相對參考算例，算例2的后排樁水平位移和樁基沉降增大，增大支撐間距起到了與減小支撐剛度同樣的作用，即降低了帶撐雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，對變形控制不利[9]。但在支撐間距成倍增加的情況下，變形變化量并不大。

圖7 支撐間距對排樁水平位移的影響Fig.7 Influence of support spacing on horizontal displacement of row piles

3.3 算例3（排距的影響）

基坑常規(guī)設(shè)計中，雙排樁排距可取2～5d。將參考算例中的排距從2.5d增大到3.75d和5d作為算例3-1和3-2。算例3-1和3-2與參考算例的后排樁水平位移比較見圖 8，樁基沉降對比見表 7。由圖8和表7可知，相對參考算例，算例3-1和3-2的后排樁水平位移以及樁基沉降減小，增大排距即增大雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度[10]，可以有效地降低帶撐雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和鄰近樁基的沉降。然而，在整體剛度增大的情況下，算例 3-1中的樁基沉降反而要小于算例 3-2，這是因?yàn)楦淖兣啪鄷淖兒笈艠兜綐痘木嚯x，使兩個算例中的樁基處在了沉降三角影響區(qū)的不同位置，進(jìn)而導(dǎo)致最終沉降的差異。

圖8 排距對排樁水平位移的影響Fig.8 Influence of row spacing on horizontal displacement of row piles

4 結(jié) 論

（1）結(jié)合某下穿既有市域鐵路的箱涵基坑工程，分別對后排樁水平位移、橋樁沉降以及地表沉降進(jìn)行分析。實(shí)測結(jié)果表明，后排樁水平位移、橋樁沉降以及地表沉降都小于預(yù)警值，證明該工程變形控制得較好，小排距帶撐雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果較為明顯。

（2）對監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了該模型的合理性。改變支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)排樁間距越大，帶撐雙排樁整體剛度就越大，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制效果就越好，但改變排距的同時會改變排樁與樁基的間距，進(jìn)而影響最終沉降量的大小，所以一味地增大排距并不一定能保證鄰近樁基沉降的減小。